跨座式單軌系統(tǒng)的道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)研究

寧遞杰

(廣西柳州市軌道交通投資發(fā)展集團(tuán)有限公司，廣西柳州 545000)

1 概述

隨著城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，人們對(duì)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全提出了更高要求。尤其在信號(hào)系統(tǒng)失效時(shí)，如何保證列車和乘客的安全顯得尤為重要，跨座式單軌交通系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)鋼輪鋼軌雙軌交通系統(tǒng)，它采用混凝土PC 梁或鋼梁作為軌道梁，代替了傳統(tǒng)鋼軌支撐列車運(yùn)行，列車車輪采用橡膠輪胎跨騎在軌道梁上。跨座式單軌交通系統(tǒng)道岔結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了變化，單軌的道岔作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，是單軌三大核心技術(shù)之一，與鋼輪鋼軌使用的道岔完全不同，傳統(tǒng)鋼輪鋼軌采用的轉(zhuǎn)轍機(jī)帶動(dòng)道岔尖軌，通過對(duì)輪沿的作用力而改變運(yùn)行線路，而跨座式單軌采用的是軌道梁整體移動(dòng)方式改變列車運(yùn)行的線路。

在軌道交通系統(tǒng)中，當(dāng)列車信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障后，司機(jī)切除列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATC）采用非限制人工駕駛模式（EUM）行車，此模式下列車的監(jiān)控和運(yùn)行由司機(jī)負(fù)責(zé)操作。此時(shí)司機(jī)一方面需與行車調(diào)度保持緊密聯(lián)系，一方面需采用加強(qiáng)瞭望、人工準(zhǔn)備進(jìn)路等“人防”手段來保障列車運(yùn)營(yíng)安全。運(yùn)營(yíng)單位需要制定嚴(yán)格的規(guī)章制度規(guī)范此情況下各個(gè)環(huán)節(jié)的處理保障運(yùn)營(yíng)安全，但實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，人員的技能水平、應(yīng)變能力、精神狀態(tài)各有不同，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤都有可能造成事故。特別是跨座式單軌，道岔處于非接通位置時(shí)（四開）存在懸空斷梁的特殊性，如果瞭望不足、道岔未鎖閉或者未按照規(guī)定人工準(zhǔn)備進(jìn)路，列車會(huì)存在掉下軌道梁、側(cè)面沖突等風(fēng)險(xiǎn)。

因此，通過研究跨座式單軌的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)，通過技術(shù)防護(hù)方式保證道岔處于非接通位置（四開）時(shí)非限制人工駕駛（EUM）列車施加緊急制動(dòng)，從而提升跨座式單軌的安全性和可靠性。

2 功能定位

當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障或失效時(shí)，單軌車輛轉(zhuǎn)為EUM 模式運(yùn)行，道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能。

1）當(dāng)?shù)啦頎顟B(tài)正常時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況和EUM 的限速設(shè)置給出限速提醒和超速防護(hù)。

2）當(dāng)?shù)啦硎ケ硎緯r(shí)，系統(tǒng)能夠使單軌列車施加緊急制動(dòng)并在安全區(qū)域停車。

3）能夠滿足單軌列車雙向運(yùn)行。

4）在信號(hào)系統(tǒng)功能正常情況下，該系統(tǒng)的故障不影響信號(hào)系統(tǒng)的列車控制功能并確保列車正常運(yùn)行。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)組成

道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)主要由軌旁設(shè)備和車載設(shè)備兩部分組成，軌旁設(shè)備主要由RFID 標(biāo)簽、標(biāo)簽控制盒、道岔狀態(tài)分析設(shè)備組成，車載設(shè)備主要由標(biāo)簽天線、解析單元組成，輔助系統(tǒng)與道岔系統(tǒng)中的道岔控制柜通過硬線接口，同時(shí)車載設(shè)備的解析單元與車輛設(shè)備的列車緊急制動(dòng)單元有接口，從而發(fā)送列車緊急制動(dòng)命令。道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Network topology of turnout auxiliary protection system

3.2 系統(tǒng)平面設(shè)置

以一組單動(dòng)道岔為例，根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)澐譃榉强刂茀^(qū)、緩沖區(qū)、道岔區(qū)3 個(gè)虛擬區(qū)域。如圖2 所示，每一組道岔設(shè)置一個(gè)道岔狀態(tài)分析柜、一個(gè)標(biāo)簽控制盒以及3 組RFID 標(biāo)簽（A、B）。道岔分析柜實(shí)時(shí)采集道岔控制柜（SCP）狀態(tài)送至標(biāo)簽控制盒，控制盒將道岔狀態(tài)信息通過線纜，分別連接到3 個(gè)RFID 標(biāo)簽組。由于列車從接收到道岔狀態(tài)信息到停車，需要一定的走行距離方可完全停穩(wěn)，RFID 標(biāo)簽組必須與道岔之間根據(jù)停車所需的安全距離設(shè)置緩沖區(qū)。

圖2 道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)設(shè)備配置圖Fig.2 Equipment configuration of turnout auxiliary protection system

3.3 系統(tǒng)控制邏輯

本系統(tǒng)只在信號(hào)系統(tǒng)故障且列車采用EUM 駕駛模式時(shí)啟用，系統(tǒng)啟用后的控制邏輯如圖3 所示。

圖3 道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)邏輯圖Fig.3 Logic diagram of turnout auxiliary protection system

當(dāng)?shù)啦頎顟B(tài)分析柜采集到道岔控制柜（SCP）的位置處于錯(cuò)誤或者非接通位置（四開）時(shí)，道岔狀態(tài)分析柜輸出低電平（0 VDC）至RFID 標(biāo)簽控制盒，RFID 標(biāo)簽A/B 激活。當(dāng)列車駛過，列車標(biāo)簽天線采集到RFID 標(biāo)簽激活狀態(tài)，列車解析單元進(jìn)行解析，觸發(fā)列車緊急制動(dòng)命令，列車停車。

當(dāng)?shù)啦頎顟B(tài)分析柜采集到道岔控制柜（SCP）的位置正確且鎖定時(shí)，道岔狀態(tài)分析柜輸出高電平（+24 VDC）至RFID 標(biāo)簽控制盒，RFID 標(biāo)簽A-B 不被激活。當(dāng)列車駛過，列車標(biāo)簽天線采集到RFID 標(biāo)簽未激活狀態(tài)，列車不觸發(fā)緊急制動(dòng)，列車可正常通過。

列車駛?cè)氲啦韰^(qū)時(shí)，列車讀取RFID 標(biāo)簽順序?yàn)锳1-B1 系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別輸出；當(dāng)列車按照規(guī)定速度駛離限速區(qū)后，車載設(shè)備讀取標(biāo)簽順序?yàn)锽3-A3，系統(tǒng)則無緊急制動(dòng)輸出，列車可正常駕駛。

系統(tǒng)的車載解析設(shè)備通過接口獲取車輛傳輸?shù)牧熊噷?shí)時(shí)運(yùn)行速度，并與EUM 限速進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)實(shí)際速度高于EUM 限速時(shí)，解析單元向車輛系統(tǒng)輸出緊急制動(dòng)命令。

當(dāng)本系統(tǒng)設(shè)備斷電或發(fā)生故障時(shí)，標(biāo)簽控制盒接收到低電平，列車施加緊急制動(dòng)。

3.4 系統(tǒng)安全分析

本系統(tǒng)符合故障-安全原則，符合軌道交通可靠性、可用性、可維修性和安全性規(guī)范及示例中規(guī)定的要求，系統(tǒng)安全完整性均達(dá)到SIL4 的要求。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線傳輸和無線傳輸兩部分，除了地面RFID 標(biāo)簽與列車標(biāo)簽天線之間采用射頻無線傳輸以外，其他系統(tǒng)模塊之間均采用有線傳輸方式。

系統(tǒng)軌旁設(shè)備與列車上解析單元至緊急制動(dòng)單元之間采用有線傳輸模式，當(dāng)其中某一模塊或者線路發(fā)生故障時(shí)，下一級(jí)電路或模塊均處于無數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)默認(rèn)為無數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)即為限制狀態(tài)，此時(shí)列車接近也無法正常通過，不會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)狀況出現(xiàn)。

地面RFID 標(biāo)簽與列車標(biāo)簽天線之間采用無線傳輸，該傳輸方式參照軌道交通應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)條件的相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)列車標(biāo)簽天線無法激活地面RFID 標(biāo)簽等原因無法接收到報(bào)文時(shí)，列車解析單元按照信息丟失處理，當(dāng)列車解析單元丟失滿足故障導(dǎo)向安全原則。

4 結(jié)束語

隨著城市軌道交通的安全要求不斷提高，軌道交通設(shè)備不僅必須滿足日常運(yùn)營(yíng)功能需求，還必須保證當(dāng)信號(hào)設(shè)備故障發(fā)生后，保障列車、司機(jī)、乘客能獲得更安全、更可靠的輔助防護(hù)。因此，設(shè)計(jì)了一種道岔輔助防護(hù)系統(tǒng)方案，該方案可以滿足當(dāng)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)生故障或者失效，列車采用EUM 模式駕駛通過道岔區(qū)域時(shí)，在道岔未能正常鎖定或道岔處于非接通位置（四開）的情況下，列車自動(dòng)觸發(fā)緊急制動(dòng)并在安全區(qū)域停車。此方案能夠有效避免單軌列車掉下軌道梁、側(cè)面沖突等安全事故的發(fā)生。此方案對(duì)常規(guī)的軌道交通線路也有一定啟發(fā)性作用，可為下一步工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考，但因系統(tǒng)涉及運(yùn)營(yíng)安全，與信號(hào)系統(tǒng)和車輛設(shè)備有接口，因此必須反復(fù)進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)，并通過第三方的安全認(rèn)證方后可在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中實(shí)施應(yīng)用。